Jean-Dominique Cassini a tenté d’apporter des explications aux inégalités des satellites de Jupiter, et émet, dès 1674, l’hypothèse du mouvement successif de la lumière, c’est-à-dire, de sa vitesse finie. Ce constat lui permet de prédire des retards sur les émersions du premier satellite. Mais pensant sa théorie fausse, Cassini l’abandonne. Rømer vérifie ces prédictions et, convaincu de la véracité de cette hypothèse, la publie le 7 décembre 1676 dans le Journal des Sçavants. L’Académie s’empare du sujet : face aux réticences, Huygens soutient Rømer et attribue en 1690 une valeur pour la vitesse de la lumière. Il faut attendre 50 ans, et l’attribution par James Bradley (1693-1762) d’une valeur plus précise, pour que la théorie soit définitivement admise.

Rømer a su clarifier et diffuser une pensée révolutionnaire, qui reste le fruit de travaux collectifs menés conjointement par les astronomes de l’Observatoire de Paris.

En 1681, Rømer est rappelé au Danemark où il devient le conseiller scientifique du roi Christian V, et le directeur de l'Observatoire de Copenhague. Il poursuit ses travaux scientifiques dans l’observatoire qu’il a lui-même construit, le Tusculaneum, et se consacre notamment à la conception de nouveaux instruments destinés aux observations astronomiques : l’instrument des passages (1690) et le cercle méridien (1704). L’incendie qui ravage la capitale danoise en 1728 a causé la perte de la majeure partie des travaux et écrits originaux de Rømer, désormais connus à travers les textes de son assistant Peter Horrebow (1679-1764).